煤的裂隙结构分形特征与分形渗流模型研究

利用工业CT扫描实验系统对煤样进行了无损扫描,获取了煤样内部裂隙结构的发育程度与分布特征;基于分形理论计盒维数法的计算原理与煤样CT二维断面图的图像数据,利用MATLAB软件计算了煤样裂隙结构的二维分形维数,结合二维分形维数与三维分形维数之间的理论关系,得到了煤样裂隙结构的三维分形维数,分析了分形维数与煤样内部裂隙结构发育程度之间的关系;在此基础上,结合渗流理论,建立了煤的分形渗流模型.研究结果表明:分形维数可有效反映煤样内部裂隙结构的发育程度,分形维数越大,裂隙越发育;所建的分形渗流模型是准确合理的,可用于预测煤的渗透性.研究结果可为煤层瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑.     

基于数字体图像三维裂隙的分形计算及应用

根据计盒维数(CBD)的计算方法,提出了基于三维裂隙的数字体图像计算其分形维数的立方体覆盖法,并用MATLAB软件实现了该算法.利用工业CT扫描获取了不同围压下破坏煤样的数字图像,通过数字图像处理获取裂隙并生成裂隙体图像,应用立方体覆盖法计算三维裂隙的分形维数;通过对破坏煤样块体质量-频率的统计,计算了块度分形维数.两种分形维数分别从裂隙的发育程度和煤样破碎程度来评价煤样的破坏,两种分形维数越大,煤样的破碎程度越高,裂隙越发育,变化趋势具有一致性.结果表明:提出的计算三维裂隙分形维数的立方体覆盖法是可行的,得出的三维裂隙的分形维数可以作为分析裂隙空间分布的定量参数.基于三维裂隙的数字体图像的分形维数还可以用于对裂隙演化过程的定量描述.     

煤孔隙结构对煤层中CO扩散的影响

针对开滦集团煤业公司3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的扩散量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO扩散量的影响,讨论了煤的分形维数、比表面积与煤层中CO扩散量的关系.结果表明,CO在煤层中的扩散主要为Knudsen扩散及过渡型扩散方式,过渡孔的增加有利于其扩散,而微孔的增加则不利于其扩散.CO扩散量与煤内比表面积呈二次曲线关系,随着内比表面积增加,CO的扩散量先减少后增加,与分形维数呈二次曲线关系,随着分形维数的增加先增加后减少.     

具有分形表面裂隙的渗流特性研究

采用有限元方法数值模拟了分形裂隙的渗流场问题.利用二元分形插值函数模型插值出裂隙的粗糙曲面,生成多个粗糙裂隙的有限元模型.根据稳态渗流问题的Darcy定律,计算不同分形维数下裂隙剖面的等效导水系数.研究表明,裂隙剖面的分形维数越大,它的粗糙程度越强,裂隙剖面的等效导水系数会随着分形维数的增加而降低.在裂隙剖面的分形维数为常数的条件下,相继对剖面两端施以逐渐增大的压力差,流体通过横断面的平均流速会随着压力差的增加而增加,而裂隙剖面的等效导水系数则会随着压力差的增加而减小.     

不同煤级煤样的孔隙综合表征方法研究

煤的孔隙特征对于研究煤的吸附解吸特性、扩散性、渗透性以及瓦斯突出事故的发生机理具有非常重要的意义。为研究不同煤级煤样的孔隙综合分形特征,利用ASAP2020比表面积及孔径分布测定仪,在低温液氮的环境下,对不同变质程度的煤样进行孔隙测定,并利用FHH分形维数计算模型对实验数据进行拟合,得到各煤样不同孔径段的分形维数;同时利用各孔径段的孔隙体积比作为权值,对各个煤样不同孔径段的分形维数进行加权求和,得到各煤样的综合分形维数。将煤样的综合分形维数与其总孔隙体积进行比较分析,可知不同煤级煤样的孔隙具有明显的分形特征,其总孔隙体积越大,综合分形维数越大,孔隙表面越粗糙,孔隙分布则相对复杂。     

裂隙分布的分形特征与岩石强度的相关性研究

依据分形几何学的基本观点对岩石中的裂隙分布进行了观测研究，提出了描述裂隙分布规律的分形维数Ｄ及度量裂隙发育程度的指数Ｑ、Ｋ，并建立了裂隙发育指数与岩石单轴抗压强度之间的相关规律     

高压气液两相射流裂纹扩展及致裂机理

随着煤矿开采深度增加和难抽采煤层增多,对高瓦斯突出煤层增透技术的要求也不断提高.通过扫描电镜测试、分形维数分析、动态应变测试以及红外热成像分析等现代化分析测试手段,对高压气液两相射流裂纹扩展及致裂机理进行研究.结果表明:在两相射流冲击作用下,煤体裂隙发育明显,孔隙发生破碎并与裂隙相互贯通,煤样按照比表面积计算的分形维数D_1平均增加1.98%.在相同射流条件下,煤样直径从2 mm增加到4 mm,周向裂纹出现时的压力阈值从10 MPa增加到了12 MPa.孔隙结构改变及宏观裂纹扩展是高压气相与高压液相共同交互响应的结果.     

基于低温液氮吸附实验的变形煤孔隙分布及其分形特征

选择平顶山十二矿和焦作中马村矿不同煤体结构的肥煤和无烟煤进行低温液氮吸附实验,分析研究变形煤的孔隙特征及其分形特征.研究表明,过渡孔和微孔是煤层气吸附发生的主要场所,其中微孔起着重要作用;分形维数反映了煤的煤化程度,即分形维数越大、煤化程度越深;分形维数表征孔容按孔径大小变化的分布特征,且分形维数与孔容含量有较好的相关关系.     

煤条带结构的分形特征及地质意义初探

本文运用分形几何学理论探讨煤的条带结构特征，统计分析了大同侏罗纪部分煤的条带结构分维数，发现煤的条带结构具有很好的分形特征，可用分形维数表示煤条带结构的复杂程度。同时，将煤条带结构分形维数与煤相进行了综合研究，结果表明：煤条带结构分形维数与煤形成的泥炭沼泽相有着较好的对应关系，认为煤条带结构分形维数可作为煤相划分的参数之一。     

沁水盆地东南部高阶煤孔隙分形特征及意义

为研究有利于煤层气勘探开发的煤储层孔隙结构特征,以沁水盆地东南部寺河矿和赵庄矿的晚古生代高阶煤为研究对象,基于低温氮吸附数据,运用孔隙分形研究方法,揭示高阶煤中综合分形维数与孔径分布、镜质组反射率、兰氏体积与兰氏压力之间的关系。研究表明,沁水盆地南部高阶煤在不同孔径段内的孔隙具有明显的分形特征,煤样综合分形维数分布在2.47~2.97;煤样的综合分形维数与煤镜质组反射率具有正相关性,即煤样孔隙的粗糙度随着镜质组反射率的增高而变得更加粗糙;综合分形维数随着比表面积、总孔容、微孔及过渡孔孔容所占比例增加而增大,而随着中孔孔容所占比例的增加而减小。综合分形维数可以反映高阶煤的煤层气开发状况,即高阶煤中煤的综合分形维数越高,越有利于煤层气的开发。     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

高煤阶煤岩孔隙结构分形特征研究

分形理论为定量描述储层非均质性提供了重要的手段, 而煤层具有独特的孔隙 - 裂隙双重孔隙, 其是否具有分形特征以及如何表征其分形特征亟待进行深入的研究。通过借鉴砂岩分形特征研究和分形维数计算的方法, 对沁水盆地南部5块煤样压汞曲线进行了研究。结果表明, 所研究煤样孔隙结构具有分段分形特征, 具有孔隙半径r<0. 1μm, 0. 1μm< r<1 0μm和r>1 0μm三个分形区间。据此, 可将研究区块煤岩孔隙按大小分为三类: 小孔和微孔( r<0. 1μm) 、 中孔和大孔( 0. 1μm< r<1 0μm) 和割理( r>1 0μm) 。从整体趋势上看, 对于不同煤样, 分形维数越大, 其孔隙度、 渗透率越小, 孔隙分选性越差, 非均质性越强; 对于同一煤样在不同分形区间中的分形维数越大,其孔隙半径在该区间内的分选性越差, 即非均质性越强。     

松辽盆地北部齐家-古龙地区断层裂缝体系分维特征及其应用

在对松辽盆地北部齐家－古龙地区泥岩裂缝油藏形成机理进行分析的基础上,应用盒式维数和信息维数计算了该区Ｔ２反射层不同区域内断层裂缝体系分维值。通过对各区断层裂缝体系分维特征的分析,发现断层裂缝体系分维高值区域与泥岩裂缝油藏的分布存在着较好的对应关系,这不仅表明断层伴生裂缝是该区泥岩裂缝的主要成因类型,同时也表明断层裂缝体系分维特征是定量描述泥岩裂缝油藏油气运移和聚集条件的一个重要参数。根据这一规律对该区泥岩裂缝油藏的有利分布区进行了预测。     

煤岩孔隙结构特征及其对储层损害的影响

煤岩特殊的孔隙结构及甲烷赋存和产出方式决定了其损害机理与常规储层存在明显差异。在此六盘水地区亦资孔盆地二叠系煤岩气藏为对象，应用压汞和扫描电镜等手段，研究煤岩储层孔隙类型和孔隙结构特征，结合煤岩学、敏感性及工作液损害评价实验，探讨了煤岩气层损害机理。研究表明，煤岩中常见模特组织孔和气孔，裂缝发育，属双重孔隙介质，表现出很强的应力敏感性。工作液易通过天然裂缝系统侵入煤层中，导致裂缝内的固相沉积、水相圈闭和高分子处理剂吸附滞留损害。     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明：决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质（水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向）的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

过渡相煤系泥页岩纳米级孔隙结构非均质性表征及主控因素——以淮南煤田二叠系为例

纳米级孔隙是煤系页岩气赋存的重要场所,具有很强的非均质性。为了研究海陆过渡相煤系泥页岩储层孔隙结构非均质性,对淮南煤田二叠系山西组和下石盒子组泥页岩钻孔岩芯样品进行总有机碳、镜质体反射率、全岩和黏土X射线衍射分析、场发射扫描电镜及低温液氮吸附实验,获得泥页岩有机地球化学、矿物组分、孔隙结构参数,采用孔隙结构相对偏差、FHH分形模型来评价储层孔隙结构非均质性及主控因素。结果表明:储层孔隙类型以黏土矿物片层间的平行板状孔、狭缝状孔及粒间的锥状孔为主,孔隙尺度主要为介孔,其次为微孔和宏孔;孔隙结构具显著分段分形特征,由于与煤储层高度相似而划分为渗透孔隙(r＞7.5 nm)和吸附孔隙(r≤7.5 nm),渗透孔隙复杂程度强于吸附孔隙;微孔越发育,孔容越小,比表面积越大,分形维数越大,孔隙结构越复杂,非均质性越强;过渡相煤系泥页岩储层孔隙结构非均质性主要受控于不同沉积环境及成岩演化下矿物组分差异,随着黏土矿物含量的增加和脆性矿物含量的减小而增大;与下石盒子组相比,山西组黏土矿物含量更低,导致分形维数较低,孔隙结构复杂程度偏弱,比表面积和平均孔径的相对偏差较小,孔隙分布较均匀,非均质性相对弱,对页岩气的储存、解吸和扩散更有利,可考虑优先开采。     

基于NMR和SEM技术研究陆相页岩孔隙结构与分形维数特征——以松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩为例

为了表征陆相页岩的孔隙结构和分形特征,选取松辽盆地长岭断陷沙河子组陆相页岩作为研究对象,通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)图像分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形维数理论,讨论NMR分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系,并且通过SEM图像提取技术定量化研究页岩储层孔隙特征。结果表明:沙河子组陆相页岩具有多种孔隙类型、孔径分布复杂、非均质性较强的特点。基于弛豫时间截止值,可将NMR分形维数划分为束缚流体孔隙分形维数(0.060 9～1.420 4)和可动流体孔隙分形维数(2.964 0～2.986 9)。矿物组成与分形维数的关系显示石英含量与束缚流体孔隙分形维数成负相关关系,黏土矿物含量与束缚流体孔隙分形维数成正相关关系; NMR分形维数与有机质含量呈线性相关,与成熟度不存在明显相关性; 这说明矿物组成和有机质含量对NMR分形维数起明显的控制作用。储层物性方面,NMR分形维数与孔隙率成线性负相关关系,而与渗透率成正相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量物性的重要指标。总体来说,SEM图像分形维数可以用来反映孔隙形态的多样性和页岩孔隙的发育程度; NMR分形维数与储层物性之间的关系可用于评价页岩储层质量。     

压汞测孔评价磷渣-水泥浆体材料孔隙分形特征的试验

用混沌分形理论结合压汞测孔技术,直接测试评价了磷渣-水泥浆体材料孔隙的显微结构特征,计算出了对应的分形维数,并对普通水泥浆体与掺磷渣的水泥浆体孔隙的分形特征进行了比较;同时探讨了孔体积分维数与孔隙率、孔表面积、孔分布及磷渣掺量的关系.研究表明,磷渣-水泥浆体的孔结构具有明显的分形特征,孔体积分形维数在2.4~2.8之间;掺磷渣的水泥浆体不仅具有粗孔细化的效果,而且孔隙的分形特征也有了明显的改善;在磷渣掺量大于30%时,其分维数、孔隙率与小于20 nm的微孔数有明显的突变性.     

Analysis of microscopic pore structures of rocks before and after water absorption

Hydrophilic characteristics of rocks are affected by their microscopic pore structures, which clearly change after water absorption. Water absorption tests and scanning electron microscopic (SEM) experiments on rock samples, located at a site in Tibet, China, were carried out. Changes of rock pore structures before and after water absorption were studied with the distribution of pore sizes and fractal characteristics of pores. The results show that surface porosities, fractal dimensions of pores and the complexity of pore structures increased because the number of new small pores produced increased or the original macropore flow channels were expanded after rocks absorbed water. There were points of inflection on their water absorption curves. After water absorption of other rocks, surface porosities and fractal dimensions of pores and complexity of pore structures decreased as the original pore flow channels became filled. Water absorption curves did not change. Surface porosity and the pore fractal dimensions of rocks have good linear relationships before and after water absorption.     

Deformed coal types and pore characteristics in Hancheng coalmines in Eastern Weibei coalfields

Based on SEM observance, the methods of low-temperature nitrogen and isothermal adsorption were used to test and analyze the coal samples of Hancheng, and pore structure characteristics of tectonic coals were discussed. The results indicate that in the same coal rank, stratification and crack are well developed in cataclastic coal, which is mostly filled by mineral substance in the geohydrologic element abundance, results in pore connectivity variation. Granulated and mylonitic coal being of these characteristics, as develop microstructures and exogenous fractures as well as large quantity of pores resulted from gas generation and strong impermeability, stimulate the recovery of seepage coal, improve coal connectivity and enhance reservoir permeability. Absorption pore (micro-pore) is dominant in coal pore for different coal body structure, the percentage of which pore aperture is from 1 to 100 nm is 71.44% to 88.15%, including large of micro-pore with the 74.56%–94.70%; with the deformation becoming more intense in the same coal rank, mesopore enlarge further, open-end pores become thin-neck-bottle-shaped pores step by step, specific surface area of micro-pore for cataclastic coal is 0.0027 m²/g, while mylonitic coal increases to 7.479 m²/g, micro-pore gradually play a dominant role in effecting pore structural parameters.